淺談 UWB定位技術

王波

(重慶市重慶電子工程職業學院通信工程系計算機通信教研室，重慶 401331)

1 UWB技術簡介

Ultra Wideband(UWB)也可稱為脈沖無線電，可追溯至19世紀。至今UWB還在爭論之中。UWB調制采用脈沖寬度在ns級的快速上升和下降脈沖，脈沖覆蓋的頻譜從直流至GHz，不需常規窄帶調制所需的RF頻率變換，脈沖成型后可直接送至天線發射。脈沖峰峰時間間隔在10-100 ps級。頻譜形狀可通過甚窄持續單脈沖形狀和天線負載特征來調整。UWB信號在時間軸上是稀疏分布的，其功率譜密度相當低，RF可同時發射多個UWB信號。UWB信號類似于基帶信號，可采用OOK，對映脈沖鍵控，脈沖振幅調制或脈位調制。UWB不同于把基帶信號變換為無線射頻 (RF)的常規無線系統，可視為在RF上基帶傳播方案，在建筑物內能以極低頻譜密度達到100 Mb/s數據速率。

為進一步提高數據速率，UWB應用超短基帶豐富的GHz級頻譜，采用安全信令方法 (Intriguing Signaling Method)。基于UWB的寬廣頻譜，FCC在2002年宣布UWB可用于精確測距，金屬探測，新一代WLAN和無線通信。為保護GPS，導航和軍事通信頻段，UWB限制在3.1-10.6 GHz和低于41 dB發射功率。

UWB無線通信是一種不用載波，而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方式，也稱做脈沖無線電(Impulse Radio)、時域(Time Domain)或無載波(Carrier Free)通信。與普通二進制移相鍵控(BPSK)信號波形相比，UWB方式不利用余弦波進行載波調制而發送許多小于1ns的脈沖，因此這種通信方式占用帶寬非常之寬，且由于頻譜的功率密度極小，它具有通常擴頻通信的特點。

UWB通過在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10米左右的范圍內實現數百Mbit/s至數Gbit/s的數據傳輸速率。UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、發送功率小等諸多優勢，主要應用于室內通信、高速無線LAN、家庭網絡、無繩電話、安全檢測、位置測定、雷達等領域。

2 UWB定位原理介紹

2.1 UWB定位算法

目前無線定位技術是指，即定位算法。目前最常用的用來判定移動用戶位置的測量方法和計算方法主要有：時差定位技術、信號到達角度測量(AOA)技術、到達時間定位(TOA)和到達時間差定位(TDOA)等。其中，TDOA技術是目前最為流行的一種方案，除了用于GSM系統，在其他諸如AMPS和CDMA系統中也廣泛應用，UWB定位采用的也是這種技術。目前UWB定位系統也可以提供3D定位功能，此定位系統采用TDOA和AOA兩種定位算法，已達到3D定位的效果。

2.2 系統構成

接下來以常州唐恩軟件科技有限公司生產的Ubisense UWB精確定位系統為例介紹UWB定位系統的構成。

Ubisense UWB精確定位系統包含三個組成部分：傳感器sensor、有源定位標簽tag和定位平臺iLocateTRM,在該系統中，定位標簽tag利用uwb脈沖信號發射出位置信息給傳感器sensor，傳感器接受到信號后采用TDOA和AOA定位算法對標簽位置進行分析，最終通過有線以太網傳輸到iLocate服務器。iLocateTMUWB定位單元可以實現無縫蜂窩連接，將定位空間無限擴展，定位標簽可以在各個單元自由行走，通過定位平臺軟件分析，將定位目標真實地以虛擬動態三維效果顯示出來。該系統在傳統的應用環境中穩定達到15cm的3D定位精度。

圖1 定位傳感器Sensor

圖2 定位標簽Tag

圖3 定位平臺iLocateTM

3 UWB定位優勢

UWB作為一項新的短距離無線通訊定位技術，具有以下一些傳統的通訊技術無法比擬的優勢：

3.1 定位精度高

下面的表格給出了目前無線定位領域各種定位技術的定位精度對照表。

技術 定位精度Proximity cards 大約30m GPS 5m-20m Bluetooth 大約3m IEEE802.11 大約3m Dedicated RF 大約3m Unidirectional UWB <30cm UBIsense UWB 15cm(3d)

3.2 范圍覆蓋廣。UWB屬于中短距離范圍內的通訊技術，非常適合構建室內環境的實時定位系統。根據最近的發展，目前的單個傳感器定位單元的覆蓋面積達到400平方米，傳感器網絡的信號發射節點跟信號接收節點之間的最大距離達到60米。可以實現多個定位單元（Cell）聯合工作，按需擴大覆蓋面積。

3.3 實時性好

相對于其他定位技術，UWB定位一個很大的優勢就是它具有較好的實時性。下面的表格給出了目前無線定位領域各種定位技術的實時響應頻率。

Z UBItag

3.4 穿透力強

UWB信號具有非常強的穿透力。UWB信號能穿透樹葉、土地、混凝土、水體等介質，因此軍事上UWB雷達可用來探測地雷，民用上可以查找地下金屬管道、探測高速公路地基等。

3.5 傳輸能力強。民用商品中，一般要求UWB信號的傳輸范圍為10m以內，再根據經過修改的信道容量公式，其傳輸速率可達500Mbit/s，是實現個人通信和無線局域網的一種理想調制技術。UWB以非常寬的頻率帶寬來換取高速的數據傳輸，并且不單獨占用現在已經擁擠不堪的頻率資源，而是共享其他無線技術使用的頻帶。在軍事應用中，可以利用巨大的擴頻增益來實現遠距離、低截獲率、低檢測率、高安全性和高速的數據傳。

3.6 發射功率小

UWB系統使用間歇的脈沖來發送數據，脈沖持續時間很短，一般在0.20ns～1.5ns之間，有很低的占空因數，系統耗電可以做到很低，在高速通信時系統的耗電量僅為幾百μW～幾十mW。民用的UWB設備功率一般是傳統移動電話所需功率的1/100左右，是藍牙設備所需功率的1/20左右。軍用的UWB電臺耗電也很低。因此，UWB設備在電池壽命和電磁輻射上，相對于傳統無線設備有著很大的優越性。

4 UWB定位系統前景展望

前面分析可知，UWB定位系統無論在定位精度、傳輸能力、穿透力、實時性等方面與其他的無線定位技術相比都有明顯優勢，能夠滿足未來無線定位的要求。可以預見UWB技術將來一定會在無線定位領域得到廣泛應用。但目前超寬帶技術正處于發展初級階段，精確定位技術的商業化正在進行之中，定位算法還有待改進，相關芯片還很少，市場推動力不足等因素，阻礙著UWB定位技術的推廣和應用。

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